多注行波管PPM聚焦磁場設(shè)計(jì)方法研究

　　對(duì)多注行波管周期永磁( PPM) 聚焦結(jié)構(gòu)中橫向磁場的分布規(guī)律進(jìn)行了研究，模擬分析了多注PPM 聚焦系統(tǒng)中橫向場的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱特性，并對(duì)該系統(tǒng)中的電子流通率進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，單注PPM 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中普遍采用的橫向磁場設(shè)計(jì)原則不適用于多注PPM 聚焦結(jié)構(gòu)，因?yàn)楹笳叽艌龅姆切�轉(zhuǎn)對(duì)稱現(xiàn)象將隨著電子通道內(nèi)徑向位置的增大而增強(qiáng)。本文針對(duì)多注PPM 聚焦系統(tǒng)中橫向磁場分布特點(diǎn)，提出了一種多注PPM 聚焦磁場設(shè)計(jì)的一般性方法，首次將對(duì)磁場旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的判斷納入多注PPM 磁場設(shè)計(jì)中。測試結(jié)果證明該方法對(duì)多注PPM 聚焦磁場的設(shè)計(jì)提供了較好的指導(dǎo)作用。

　　多注行波管是在單注行波管的基礎(chǔ)上，采用多電子注技術(shù)發(fā)展而來的一種大功率微波放大器。由于多注行波管具有頻帶寬、效率高、體積小、工作電壓低以及重量輕等顯著優(yōu)點(diǎn)，成為近年來引起各國極大關(guān)注的一類新型微波電真空器件。多注速調(diào)管一般采用均勻永磁聚焦結(jié)構(gòu)與周期反轉(zhuǎn)聚焦結(jié)構(gòu)，由于體積過大，該類聚焦結(jié)構(gòu)難以應(yīng)用于多注行波管結(jié)構(gòu)中，因此多注行波管一般采取周期永磁( PPM) 聚焦。目前對(duì)多注PPM 聚焦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般采用單注結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，未對(duì)通道孔內(nèi)磁場的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱特性進(jìn)行考慮。單注PPM 聚焦結(jié)構(gòu)中電子注通道位于結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱中心，耦合槽對(duì)其影響一般較小，孔內(nèi)的靜磁場基本滿足旋轉(zhuǎn)對(duì)稱分布，電子注受橫向磁場影響亦不大。橫向磁場分布一般隨著電子注通道層數(shù)的增多和通道離開系統(tǒng)中心軸的距離的增大而增大，對(duì)多注PPM 系統(tǒng)特別是當(dāng)電子通道數(shù)目較多時(shí)，橫向場對(duì)孔內(nèi)磁場旋轉(zhuǎn)對(duì)稱分布性的破壞是亟待考慮的問題。特別當(dāng)PPM聚焦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理時(shí)，磁場在通道孔內(nèi)的不對(duì)稱特性表現(xiàn)得尤其明顯。

1、多注PPM系統(tǒng)中的橫向磁場分布

　　橫向磁場主要是因?yàn)榇畔到y(tǒng)不滿足旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)而形成的，這里所描述的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的中心是指以電子通道為中心。單注PPM 聚焦結(jié)構(gòu)中，在不考慮耦合槽時(shí)電子通道內(nèi)的橫向磁場是嚴(yán)格旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，而耦合槽的存在對(duì)磁場旋轉(zhuǎn)對(duì)稱特性的影響也相當(dāng)有限。根據(jù)阿莫良夫斯基的理論，如果在極靴處加入鐵制容性加載頭，通道內(nèi)的橫向磁場將進(jìn)一步得到抑制，即耦合槽對(duì)橫向磁場的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱特性的影響將進(jìn)一步減小。

　　對(duì)多注PPM 結(jié)構(gòu)而言，多通道孔的存在會(huì)影響其中的磁場結(jié)構(gòu)的分布，通道孔內(nèi)的橫向磁場也會(huì)發(fā)生很大變化，多注PPM 系統(tǒng)內(nèi)橫向磁場強(qiáng)度會(huì)隨著電子注通道離開系統(tǒng)中心軸的距離增大而增大。當(dāng)橫向磁場較小時(shí)，孔內(nèi)的磁力線分布是基本對(duì)稱的，如圖1( a) 所示，一般多為單注PPM 聚焦系統(tǒng)的電子通道及多注PPM 聚焦系統(tǒng)的中心注電子通道內(nèi)磁場分布。這種情況下電子注受橫向磁場的作用很小，電子流通率主要由軸向磁場確定。

圖1 電子注通道內(nèi)的橫向磁場

　　在電子注通道的邊緣，由于真空磁導(dǎo)率比極靴材料小得多，會(huì)有一部分磁力線從極靴內(nèi)滲入通道孔中，但通道孔內(nèi)的橫向磁場主要集中在通道的邊緣附近，而通道孔中心軸的傍軸區(qū)域內(nèi)橫向磁場相對(duì)較小。如果此時(shí)的磁場分布滿足旋轉(zhuǎn)對(duì)稱特性,則橫向磁場對(duì)電子注聚焦不會(huì)產(chǎn)生明顯影響。極靴中的磁場強(qiáng)度越大，通道孔離對(duì)稱中心越遠(yuǎn)，通道孔中橫向磁場的影響越大。圖1(b) 是外層電子通道內(nèi)的磁場分布截面圖，通道內(nèi)部的橫向磁場相對(duì)中心孔有所增大，同時(shí)在通道孔的邊緣出現(xiàn)了磁力線分布不對(duì)稱現(xiàn)象。圖2為某多注PPM 聚焦系統(tǒng)內(nèi)的磁場分布圖，其中心孔的磁場分布基本對(duì)稱，隨著通道孔遠(yuǎn)離軸對(duì)稱中心，磁場分布的非對(duì)稱現(xiàn)象愈加嚴(yán)重。

圖2 PPM 系統(tǒng)磁場分布圖(極靴橫向截面)

結(jié)論

　　PPM 聚焦系統(tǒng)中的橫向磁場是影響微波管電子流通率的重要原因之一，橫向磁場的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱特性會(huì)使電子注在通道中運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生/ 偏心0現(xiàn)象而被通道內(nèi)壁截獲。傳統(tǒng)的單注結(jié)構(gòu)PPM 聚焦系統(tǒng)中電子通道孔一般位于結(jié)構(gòu)中心，非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性主要受耦合槽影響。對(duì)多注PPM 聚焦結(jié)構(gòu)，外層電子通道本身就遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)中心，非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱特性的存在將不可避免，同時(shí)耦合槽對(duì)電子通道內(nèi)磁場的影響也將進(jìn)一步加大，單注PPM 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中普遍采用的橫向磁場設(shè)計(jì)原則對(duì)于多注PPM 聚焦結(jié)構(gòu)已經(jīng)不再適用。對(duì)某4 注多注PPM 聚焦結(jié)構(gòu)模擬發(fā)現(xiàn)，即使通道孔內(nèi)軸線上橫向磁場與軸向磁場峰值之比小于1%，當(dāng)填充比大于60% 后，電子流通率也會(huì)受到明顯影響。我們針對(duì)多注PPM 聚焦磁場的特點(diǎn)，在磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)首先進(jìn)行了對(duì)橫向磁場旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的判斷，在此基礎(chǔ)上對(duì)多注PPM 聚焦系統(tǒng)內(nèi)的橫向磁場進(jìn)行了優(yōu)化。測試結(jié)果表明，該方法克服了多注PPM 聚焦磁場在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法下外層通道內(nèi)電子流通率不佳的問題，對(duì)多注PPM 聚焦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)起到了較好的指導(dǎo)作用。